光电检测技术及应用PDF电子书下载

上篇 基础理论篇 2

第1章 绪论 2

第2章 光电检测技术基础 6

2.1 辐射度量和光度量 6

2.1.1 光的基本概念 6

2.1.2 辐射度量 7

2.1.3 光度量 9

2.2 半导体物理基础 12

2.2.1 半导体的特性 12

2.2.2 能带理论 13

2.2.3 半导体的导电结构 14

2.2.4 载流子的运动 16

2.2.5 半导体的PN结 18

2.2.6 半导体对光的吸收 20

2.3 光电效应 21

2.3.1 光电导效应 21

2.3.2 光生伏特效应 23

2.3.3 外光电效应 26

2.4 光电器件的基本参数 27

2.4.1 有关响应方面的特性参数 27

2.4.2 有关噪声方面的特性参数 29

2.4.3 其他参数 31

思考题与习题 32

第3章 光电检测器件 33

3.1 光电导器件 33

3.1.1 光敏电阻的原理与结构 33

3.1.2 典型光敏电阻 34

3.1.3 光敏电阻的基本特性 35

3.2 光生伏特器件 40

3.2.1 光敏二极管 41

3.2.2 硅光电池 46

3.2.3 光敏晶体管 48

3.2.4 色敏光生伏特器件 51

3.2.5 光生伏特器件组合件 53

3.2.6 光电位置敏感器件 58

3.3 光电发射器件 61

3.3.1 光电倍增管 61

3.3.2 真空光电管 71

3.4 热辐射探测器件 71

3.4.1 热敏电阻 71

3.4.2 热电偶探测器 75

3.4.3 热电堆探测器 77

3.5 热释电器件 79

3.5.1 热释电器件的基本工作原理 79

3.5.2 热释电器件的电压灵敏度 82

3.5.3 热释电器件的噪声、响应时间与阻抗特性 83

3.5.4 快速热释电探测器 84

3.6 光耦合器件 85

3.6.1 光耦合器件的结构与电路符号 85

3.6.2 光耦合器件的特性参数 86

3.6.3 光耦合器件的应用 90

3.7 图像传感器 92

3.7.1 图像传感器的分类 92

3.7.2 真空摄像管 92

3.7.3 电荷耦合器件 95

3.7.4 CMOS图像传感器 106

3.7.5 红外热成像 109

3.7.6 图像的增强与变像 110

思考题与习题 116

第4章 半导体发光管与激光器 118

4.1 发光二极管 118

4.1.1 发光二极管的发光机理 118

4.1.2 发光二极管的应用 123

4.2 半导体激光器 124

4.2.1 半导体激光器的发光原理 124

4.2.2 半导体激光器的结构 126

4.3 几种典型的激光器 130

4.3.1 气体激光器 130

4.3.2 固体激光器 133

4.3.3 染料激光器 133

4.3.4 光纤激光器 135

思考题与习题 137

第5章 辐射信号检测 138

5.1 直接探测法 138

5.1.1 光学系统结构 138

5.1.2 调制盘 139

5.1.3 调制盘对背景信号的空间滤波 141

5.2 光外差探测法 143

5.2.1 光外差探测原理 143

5.2.2 光外差探测的特性 144

5.3 几何光学方法的光电信息变换 145

5.3.1 长、宽尺寸信息的光电变换 145

5.3.2 位移信息的光电变换 149

5.3.3 速度信息的光电变换 152

5.4 空间分布光信号的检测方法 155

5.4.1 光学目标和空间定位 155

5.4.2 几何中心检测法 157

5.4.3 亮度中心检测法 160

5.5 莫尔条纹 163

思考题与习题 165

第6章 光电检测系统典型电路 166

6.1 光敏电阻的变换电路 166

6.1.1 基本偏置电路 166

6.1.2 恒流电路 168

6.1.3 恒压电路 169

6.2 光生伏特器件的偏置电路 170

6.2.1 反向偏置电路 170

6.2.2 无偏置电路 175

6.3 CCD器件驱动电路 177

6.3.1 CCD驱动电路时序方法 179

6.3.2 可编程器件产生CCD驱动时序 179

6.4 视频信号二值化处理电路 182

6.4.1 阈值法 182

6.4.2 微分法 184

6.5 光电信号辨向处理与细分电路 185

6.5.1 光电信号辨向处理 185

6.5.2 电子细分 188

思考题与习题 200

下篇 技术应用篇 204

第7章 微弱光信号检测 204

7.1 基本概念 204

7.1.1 能量信号与功率信号 204

7.1.2 相关函数 204

7.1.3 相关接收 205

7.1.4 相敏检波器 207

7.2 锁相放大器 208

7.2.1 锁相放大器的工作原理 208

7.2.2 锁相放大器的应用及特点 210

7.3 取样积分器 211

7.3.1 取样积分原理和工作方式 211

7.3.2 取样积分器应用和特点 213

7.4 光子计数器 214

7.4.1 光子计数器原理 214

7.4.2 光子计数器的应用及特点 217

思考题与习题 218

第8章 外形尺寸检测 219

8.1 概述 219

8.2 模拟变换检测法 219

8.3 光电扫描检测法 221

8.3.1 光学扫描法 221

8.3.2 电扫描法 225

8.4 CCD自扫描检测法 227

8.5 光电三维形貌检测法 232

8.5.1 双目机器视觉三维形貌检测法 233

8.5.2 结构光三维形貌检测法 235

思考题与习题 237

第9章 位移量检测 238

9.1 激光干涉位移检测 238

9.1.1 激光干涉原理 238

9.1.2 激光干涉仪原理 240

9.2 光栅线位移检测 243

9.2.1 光栅位移传感器（光栅尺）的光电读数头 244

9.2.2 光源和光强调制 246

9.2.3 四相交流信号和前置放大器 246

9.2.4 光栅位移检测装置（光栅尺） 248

9.3 光栅角位移检测 249

9.3.1 概述 249

9.3.2 增量式轴角编码器 250

9.3.3 绝对式光电轴角编码器的基本原理 252

9.3.4 读数和细分 256

9.3.5 狭缝及光电信号 257

9.3.6 编码器误差 259

9.4 轴向位移测量 260

9.5 激光测距 262

9.5.1 脉冲法测距 262

9.5.2 相位法测距 265

9.5.3 典型仪器简介 269

思考题与习题 271

第10章 光电外观检测 272

10.1 外观检测的方式和原理 272

10.1.1 反射式与透射式外观检测 272

10.1.2 正反射式与非正反射式（漫反射式）检测 273

10.1.3 扫描方式 274

10.2 光电变换器 275

10.2.1 疵病信号 275

10.2.2 光源选择 277

10.3 信号处理及检测装置 278

10.3.1 通量式疵病信号的处理方法 278

10.3.2 检测装置 280

10.4 表面粗糙度检测 283

10.4.1 概述 283

10.4.2 激光外差法检测粗糙度原理 284

10.5 内表面疵病检测 286

10.5.1 管道内表面疵病检测系统组成 286

10.5.2 检测系统工作原理与特点 288

思考题与习题 288

第11章 光纤传感测量 289

11.1 光导纤维的基本知识 289

11.1.1 光纤传光原理 289

11.1.2 光纤的分类 289

11.1.3 光纤的基本特性 290

11.2 光纤传感器原理及应用 292

11.2.1 分类与特点 292

11.2.2 光纤传感器 293

11.3 光纤传感器应用技术分析 299

思考题与习题 300

第12章 光电检测技术的综合应用 301

12.1 光电多功能二维自动检测系统 301

12.1.1 测量系统的总体结构 301

12.1.2 同轴度误差测量系统 302

12.1.3 环距测量方法的研究 303

12.2 曲臂光电综合测量系统 307

12.2.1 系统的组成与总体布局 307

12.2.2 被测参数测量原理 310

12.3 激光扫描圆度误差测量系统 316

12.3.1 圆度误差测量原理 316

12.3.2 工件安装偏心误差的检测 317

12.3.3 实验结果与分析 318

12.4 飞轮齿圈总成圆跳动非接触检测系统 319

12.4.1 测量系统原理 319

12.4.2 实验结果和分析 320

12.5 座圈尺寸光电非接触测量系统 320

12.5.1 总体结构与工作原理 320

12.5.2 直径测量原理 320

12.5.3 数据处理系统设计 322

12.5.4 测量结果与分析 322

12.6 管道直线度光电检测系统 323

12.6.1 直线度光电检测系统的结构与工作原理 323

12.6.2 检测系统的组成 324

思考题与习题 326

部分习题参考答案 328

参考文献 335